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1、超出元素周期表中的超原子的作用弗吉尼亚州立大学物理系，里士满，弗吉尼亚州，23284，美国PuruJena文摘:原子团簇组成的均聚物或杂原子的物种构成的一个物质的每个原子数，其性质取决于中间相它们的大小，形状，组合物，和电荷。如果特定的集群模拟化学原子能产生的，它们可以被认为是人造超原子形成一种新的三维周期表积木。量身定制的新材料属性可以通过组装这些超原子合成。此邀请角度介绍导致了这一概念，开拓工程的简短摘要和突出显示最近的突破，预示着一个新时代的材料科学。1869年3月6日,在正式提交给俄罗斯化学学会,门捷
2、列夫透露德米特里伊万诺维奇周期表来说明在当时已知元素的性质有周期性趋势直到1897年电子的发现和随后的量子力学在20世纪初的发展,对这些元素的化学性质的基本理解和他们为他们的位置占据在周期性的理由实现了表。而新的短暂的元素被添加到元素周期表中,可以自然发生的稳定元素的数量能制成材料的保持在90。被合成的任何新的材料做的不同的元素组成和合成技术，迄今为止没有被预想，但原子通常是建筑中重要的物质。纳米物质长度规模从体积上实现将会非常的不同，然而自组装可以从根本上改变新材料的范式。以上这种可能性第一次被关注是由Ri
3、chardFeynman在1959年美国物理学会的名为“底部”有足够的空间的著名演讲中。他认为电子的量子限制可以启用纳米粒子罕见的属性,因此,有足够的空间底部合成新颖的材料。大约在同一时间,在集群原子/分子的工作气相表明,它们的大小可以控制原子/分子。开发新的实验技术在。新的实验技术的发展在20世纪80年代早期，研究人员可以进一步调整其组成原子的精度。C60富勒烯在气相中的发现，其随后的大规模合成的解决方案及其组件导致富勒烯晶体的形成也证实，由团簇材料的组成原子非常不同的，在这种情况下，金刚石和石墨。如果新的
4、稳定的集群，如可以合成C60的一些特定的设计规则,它将对材料科学有巨大的影响，集群可以取代一些珍贵的元素周期表中的元素。1992年,卡纳和Jena6提出了这样的可能性。从这个角度看,我在集群科学中描述了一些的开创性工作,导致了这种命题,并且讨论最近了能提供希望的新颖材料与集群作为积木确实可以实现的突破。在气相中C60富勒烯的发现,随后的大规模合成的解决方案,并且它的组件导致富勒烯晶体的形成，也证实由材料组成和由原子组成的集群是非常不同的，这种情况下的如，金刚石和石墨。第一个实验是在1984骑士和同事们进行的开
5、创性工作。作者观察到明显的质谱的峰值Na集群包含2、8、20、40…这些原子显示出,他们增强的稳定性可以由电子壳层关闭解释,然而这神奇的稳定性被早先的核壳闭合解释过。假设电子在钠群里自由而在散装，骑士等人对集群中的钠离子是由一个球的正电荷密度均匀分布代替提出了一种简单的胶状体模型（图1）图1示意图的原子和原子轨道（左图），带正电的核化为一个点，和凝胶模型的一个集群中的正电荷涂抹在与相应的电子轨道的有限半径的球体（右图）。电子在Na集群包含2、8、20、40……原子局限在量子化轨道1S2,1S21P6,1S21
6、P61D102S2,1S21P61D102S21F142P6、…各自的和连续的电子壳闭合说明了神奇的集群增强的稳定性。回顾了惰性气体原子由于关闭的电子壳也具有化学惰性，可想象，神奇的集群将反应性低于他们的邻居。这种情况表明在Castleman和同事的观察下Al13与氧气反应的活性就会比其邻居迟钝的多(图2)。图2。图2。质谱显示的蚀刻级数用氧转载可从裁判的铝离子的反应8。版权所有1989美国物理研究所。注意，albeing三价，Al13−包含40个价电子，从而满足电子壳闭合规律。后续的质谱的其他简单的均聚物以
7、及有机金属簇证实电子壳闭合之间的联系以及增强的稳定性。在随后的质谱实验，大NA集群，马丁和他的同事发现，集群原子壳层封闭比他们的邻居也更稳定。原子和电子壳闭合可以增强一个集群的稳定性，卡纳和Jena批判性地检查Al13集群。它的结构是一个二十面体与一个原子中心和12个表面原子。因此,Al13−Si@Al12同时原子以及电子闭合壳系统同时增强稳定性。此外,因为只有一个电子是需要关闭Al13电子壳,可以看出中性Al13模仿卤素原子的化学,也只需要一个电子关闭其(ns2np5)电子壳。在这种情况下,电子亲和能Al1
8、3应该是接近卤素原子的,可以与碱金属原子如K形成类似盐的分子反应，kal13就像CL与K，即氯化钾。这个预测实验由李等人和郑等人证实；Al13电子亲和势为3.62 eV和kal13是一种离子分子。如果能用合适的大小和组成的集群合成，它模仿在周期表中的原子化学，这种集群被视为一个人造“元素”。Khanna和Jena称这样的原子为“超原子簇”，建议他们可以形成一个新的建筑块的三维周期表就像是门捷列夫的原
